Expert om svarta hål: ”En väldigt effektiv maskin som producerar energi”

2020-10-06 17:04  

Årets Nobelpristagare i fysik har hjälpt oss att förstå mer om svarta hål. Deras upptäckter har öppnat för flera spektakulära händelser de senaste åren, som det första svarta hålet som fångats på bild.

Claes Fransson, professor i astrofysik vid Stockholms universitet och ledamot av Vetenskapsakademien, förklarar att det finns två olika sidor av årets Nobelpris i fysik.

Det ena är det rent teoretiska, som Roger Penrose står för. Han har på matematisk väg visat att Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, som beskriver hur allt i universum är fast i gravitationens grepp, leder till att det bildas svarta hål.

Det andra är bekräftandet av att vi verkligen har ett supermassivt objekt i centrum av vår egen Vintergata. Det är det arbete som Andrea Ghez och Reinhard Genzhel står bakom.

– I bägge fall rör det sig om svarta hål. Det är den gemensamma nämnaren. Däremot är metoderna som pristagarna använder totalt olika och de har egentligen inte haft så mycket med varandra att göra, sammanfattar Claes Fransson för Ny Teknik efter offentliggörandet av Nobelpriset i fysik.

Många tvivlade på att svarta hål fanns

Roger Penrose genombrott kom i mitten på 1960-talet. Hans arbete triggades framför allt av viljan att försöka förstå de svarta hålen och deras relation till relativitetsteorin, förklarar Claes Fransson.

Roger Penrose. Foto: Festival della Scienza/TT

Det fanns många frågetecken runt svarta hål, och många inom fältet hade tvivlat på att det överhuvudtaget fanns svarta hål. Däribland Albert Einstein.

Läs mer: Nobelpris för forskning på svarta hål: ”Kände tvivel”

Parallellt med Penrose arbete i mitten av 60-talet upptäckte forskare kvasarerna och andra typer av kompakta objekt.

– Man upptäckte röntgenkällor som var väldigt heta och energirika. Det triggade Penrose. Genom att använda helt nya matematiska metoder kunde han visa att det är oundvikligt att man får ett svart hål, även under mycket mer allmänna förutsättningar. Penrose fick igång en ny renässans för relativitetsteorin, som hade varit ganska död ända sedan Einstein formulerade den. Det gjorde att personer som Stephen Hawking och en mängd andra verkligen ägnade sig och försökte förstå egenskaperna hos de svarta hålen. Så efter det blev det rent teoretiskt en helt ny era för relativitetsteorin, säger Claes Fransson.

Upp till 50 gånger större energiproduktion än vid kärnreaktioner

Kvasarerna visade sig ha en energiproduktion tusen gånger större än en normal hel galax, i en väldigt liten volym.

Det enda man kunde förklara det med var att det var materia som föll in mot ett svart hål.

– Det är det absolut mest effektiva sättet att producera energi, att kasta in något mot ett svart hål. Speciellt om det spiraliserar in långsamt, så hettas det upp och man kan få tio–femtio gånger större energiproduktion än man får genom till exempel kärnreaktioner, det som får stjärnor att lysa, säger Claes Fransson.

Läs mer: Nobelpris för upptäckt av hepatitvirus

Svarta hål har ända sedan 1970-talet blivit alltmer vardag för astronomer.

Men den riktigt säkra förutsägelsen, att det verkligen rör sig om ett svart hål och inte ett annat objekt i centrum på galaxerna, det kom först på 90-talet och i början på 2000-talet.

Andrea Ghez. Foto: Christopher Dibble/University of California Los Angeles via Sipa USA

Det har Reinhard Genzel och Andrea Ghez bidragit till, med hjälp av ny teknik, som adaptiv optik.

– Den adaptiva optiken är väldigt sofistikerad teknik där man deformerar optiken så det kompenserar för förvrängningen som jordatmosfären gör. Det är något som har revolutionerad astronomin, att man kan få samma upplösning på bilderna från marken som man kan få från till exempel Hubble-teleskopet. Det har möjliggjort de här observationerna av Vintergatans centrum.

”Svart hål är en matematisk oändlighet egentligen”

Vad är svarta hål egentligen?

– Det är den mest kompakta typen av objekt som vi känner till. Det karaktäriseras utav bara tre saker egentligen: det är en massa, det har en rotation och det kan ha en laddning. Massan behåller den, men alltihop har kollapsat till en vad vi förstår i dag oändlig täthet. Utsträckningen utav det här objektet som kollapsar, om det är en väldigt tung stjärna eller om det är centrum på en galax, den tätheten är oändligt stor och utsträckningen är oändligt liten. Genom att förena kvantmekanik och relativitetsteorin, de två stora teorierna inom fysiken, till en teori skulle vi kunna få svar på hur det här slutstadiet verkligen ser ut, hur det ser ut därinne i centrum. Så långt vi kan se det är det bara en matematisk singularitet, en matematisk oändlighet egentligen.

Reinhard Genzel. Foto: Matthias Balk/dpa via AP

Vad blev nästa steg efter Nobelpristagarnas upptäckter?

– Man kunde konstatera att det verkligen bara var de här tre egenskaperna som svarta hål har. En annan aspekt som kom fram av det var att Hawking lyckades förutsäga att ett svart hål inte är alldeles svart, utan att det produceras strålning precis utanför horisonten. Ju mindre det svarta hålet är, desto hetare, ljusare är den här strålningen. Har ett svart hål en massa som är mycket mindre än Mount Everest kommer det att förångas på en tidsskala som är yngre än universums ålder. Väldigt små svarta hål, som eventuellt kan ha bildats i samband med att universum bildades, det är väldigt spekulativt, de skulle då ha förångats i dag. Det är en aspekt som kom fram som ett resultat av de här första stegen. Hawking började tillsammans med Penrose, de arbetade mycket tillsammans efter att Penrose utvecklat de här metoderna, klassisk fysisk för att försöka förstå de här svarta hålen. Sedan ställde han sig frågan hur påverkar kvantmekaniken det här? Det var då han fann den så kallade Hawking-strålningen, som han framför allt är känd för. Så teoretiskt har det triggat en enorm utveckling.

Upptäckterna ledde till första bilden av ett svart hål

Det första svarta hålet som fångats på bild. Foto: ESO
 

I april 2019 presenterades för första gången en bild av ett svart hål, eller snarare skuggan av det. Bilden visade ett svart hål i galaxen M87 (Virgo A) i stjärnbilden Jungfrun 55 miljoner ljusår från jorden.

– De här upptäckterna och metoderna har triggat väldigt mycket annan verksamhet. Det mest spektakulära på sistone är nog två saker. Dels den här fantastiska bilden av Event Horizon Telescope, där man verkligen ser skuggan av ett svart hål. Det andra, som kanske är minst lika spektakulärt, är sammanslagningen av de svarta hålen som fick Nobelpriset för några år sedan. I dag försöker man till exempel avbilda Vintergatans centrum, det svarta hålet där, på samma sätt som man gjorde med den avlägsna galaxen som bilden av Event Horizon Telescope kommer ifrån. Så småningom kommer vi antagligen även att få se en slags skuggbild på Vintergatans svarta hål. Allt bygger på att man hela tiden utvecklar mer och mer extrem och sofistikerad teknik.

”Svarta hål är inte science fiction, inte något mystiskt”

Det som många inklusive Einstein alltså tvivlade på är sedan länge ”vardagsmat” – och Einstein hade blivit förtjust över pristagarna, enligt Claes Fransson.

– Svarta hål är inte science fiction på något sätt. För oss har det nästan varit vardagsmat sen 1970-talet. Har man jobbat det med det ett tag så ser man det inte som något mystiskt, utan det är bara en gräns och en väldigt effektiv maskin som producerar energi som kan förklara en massa exotiska fenomen, de mest extrema saker, antingen på stjärn- eller galaxnivå. Men det är naturligtvis fantastiskt att de existerar och att det inte bara är som man trodde i flera decennier, att det var matematiska konstruktioner.

Vad tror du att Einstein skulle säga om årets pristagare?

– Han skulle bli jätteförtjust, framför allt över hur Penrose gick vidare med helt nya matematiska verktyg, på ett sätt man inte kunde föreställa sig innan.

Nobelpriset i fysik 2020

Tre pristagare delar årets Nobelpris i fysik för deras upptäckter om svarta hål. Den ena hälften går till:

Roger Penrose: "för upptäckten att bildandet av svarta hål är en robust förutsägelse av den allmänna relativitetsteorin".

Den andra hälften går gemensamt till:

Reinhard Genzel och Andrea Ghez: "för upptäckten av ett supermassivt kompakt objekt i Vintergatans centrum".

Roger Penrose, född 1931 (89 år) i Colchester, Storbritannien. Fil.dr 1957 vid University of Cambridge, Storbritannien. Professor vid University of Oxford, Storbritannien.

Reinhard Genzel, född 1952 (68 år) i Bad Homburg vor der Höhe, Tyskland. Fil.dr 1978 vid Universität Bonn, Tyskland. Director vid Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Tyskland och professor vid University of California, Berkeley, USA.

Andrea Ghez, född 1965 (55 år) i New York, USA. Fil.dr 1992 vid California Institute of Technology, Pasadena, USA. Professor vid University of California, Los Angeles, USA.

Ania Obminska

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt